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KR102358522B1 - 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치 - Google Patents

마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치 Download PDF

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KR102358522B1
KR102358522B1 KR1020210155736A KR20210155736A KR102358522B1 KR 102358522 B1 KR102358522 B1 KR 102358522B1 KR 1020210155736 A KR1020210155736 A KR 1020210155736A KR 20210155736 A KR20210155736 A KR 20210155736A KR 102358522 B1 KR102358522 B1 KR 102358522B1
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유재택
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Abstract

본 발명은 저항성 누설전류 분석 및 감시장치에 관한 것으로서, 상세하게는 저항성 누설전류(Igr)를 구하기 위한 푸리에변환으로 연산시 기본주파수(예를 들어, 60㎐)에 대해서 입력 전압값(Vin)을 유사 기본파 전압(VSF)으로 대치시켜서 저항성 누설전류(Igr)를 연산하여 구하거나 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(pavh)을 직접 연산한 후 푸리에급수를 사용한 해석을 통하여 저항성 누설전류(Igr)를 연산하여 구하게 함으로서, 연산량을 상대적으로 대폭 줄이게 되고, 고조파제거 필터도 불필요하게 되며, 저전력 마이크로컨트롤러 유니트를 적용할 수 있도록 하는, 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치에 관한 것이다.

Description

마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치{Igr ANALYSIS AND MONITORING DEVICE FOR USING MICROCONTROLLER UNIT}
본 발명은 저항성 누설전류 분석 및 감시장치에 관한 것으로서, 상세하게는 저항성 누설전류(Igr)를 구하기 위한 푸리에변환으로 연산시 기본주파수(예를 들어, 60㎐)에 대해서 입력 전압값(Vin)을 유사기본파 전압(VSF)으로 대치시켜서 저항성 누설전류(Igr)를 연산하여 구하거나 또는 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(pavh)을 직접 연산한 후 푸리에급수를 사용한 해석을 통하여 저항성 누설전류(Igr)를 연산하여 구하게 함으로서, 연산량을 상대적으로 대폭 줄이게 되고, 고조파제거 필터도 불필요하게 되며, 저전력 마이크로컨트롤러 유니트를 적용할 수 있도록 하는, 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치에 관한 것이다.
전기선로의 절연체가 열화하면서, 절연저항이 감소하며 누설전류의 크기가 증가하는 현상이 발생한다. 재료의 열화가 진행되면서 누설전류의 크기가 커지게 되고, 이 누설전류가 사람에게는 감전의 위험을 야기할 수도 있고, 열을 발생시켜 화재에 이르게 할 수도 있다.
근래에, 전기를 인가한 무정전 상태에서, 수시로, 절연저항을 측정해내는 기술이 개발되어, 저항성 누설전류(Igr) 분석기가 계측기로서 개발된 바 있으나, 보급이 제한적으로 되고있는 실정이다.
사회적으로도, 물류창고 등에서 대형 화재 사건이 일어나고 있으며, 전기누전 감지 및 감시가 전기안전관리 상으로도 중요하게 부각되고 있다. 건물 공장 가정 멀티탭콘센트 등의 전기 누전 상태를 상시감시하여, 조기에 그 위험을 감지하게 하여, 관리자가 예방조치를 할 수 있게 하여야 할 필요성이 크게 대두되고 있다.
근래에는 LED 전등, 냉장고, 에어컨 등이 많이 보급되고 있다.
이들 기기는 전력회사에서 공급되는 교류 전력을 SMPS(switching mode power supply) 등을 사용하여 직류로 변환하여 사용하게 되면서, 이들 기기에서 전력의 기본주파수인 60Hz의 정수배에 해당하는 고조파(高調波)를 많이 발생시켜서, 전기를 공급하는 전선이나 교류 전원 측으로 영향을 주는 현상이 크게 나타나고 있다.
교류 전력은 통상적으로 사인파 전압과 사인파 전류를 가정하고 해석되어왔는데, SMPS의 사용은 전류 파형을 심하게 변형시키는바, 고조파 성분이 많이 함유된 것으로 분석되며, 이러한 전류는 실효치 연산이나 계측기에서의 위상각 측정 등에 있어서, 기술적으로 많은 어려움을 나타내고 있다.
이에 대한 고조파 대책 개발되고 적용되고 있는 현실이며, 활선(또는 무정전) 저항성 누설전류 분석기가 상용화되었다.
이러한 저항성 누설전류 분석기는 전기를 인가한 무정전 상태에서, 절연저항을 측정해내는 기술이며, 활선메가라는 이름으로도 불린다.
저항성 누설전류 분석기는 수㎂ 정도의 분해능을 목표로 한 정밀한 기기의 제작을 목표로 한 것이며, 위상각 산출 푸리에변환 등을 위한 부품과 연산을 많이 필요로 하여 보급이 제한적으로 되고 있는 실정이다.
이러한 저항성 누설전류 분석기의 일례로 대한민국 특허등록 제10-0876651 호인 위상각 산출에 의한 누설전류 측정 및 누전차단 방법이 게시되어 있다.
상기 위상각 산출에 의한 누설전류 측정 및 누전차단 방법은 누설전류 클램프에서 센싱된 전류를 고조파 필터 및 노이즈 필터를 거친 후의 누설전류와, 입력 전원전압과의 위상각(θ) 검출을 통해, 저항성 누설전류(Igr)를 산출하여 절연 저항값을 계산해 내는 방법을 사용하고 있다. 고조파 필터는 실용적으로는 몇 차 정도의 필터가 사용되고 있을 뿐이라는데 이 기술의 제약이 있다. 입력 전압과 전류의 파형에서 고조파를 불충분하게 제거함으로서, 후속 부분에서 이를 사용하므로, 오차가 그만큼 끼이게 되고 정확도가 떨어지게 된다는 것이다.
결론적으로, 이러한 분석기는 기본파 성분 이외의 남아있는 고조파 성분만큼의 오차가 항상 포함되어 있으며, 가격 또한 고가이다.
그리고, 일본 제품(교리츠 KEW 5050SE 메뉴얼)이 있는데, 여기에서는 센싱된 전류와 전압 모두를 푸리에변환하여 기본파와 고조파를 포함한 주파수 스펙트럼 성분을 각각 구한 후, 그중에 60Hz 기본파 성분만 취하여, 전류와 전압의 기본파 성분끼리의 위상차(θ)를 구하여, 누설전류의 크기(I)에 I×cosθ로 저항성 누설전류(Igr)의 크기를 구하는 분석을 하는 것이 핵심이다.
이는 고정밀도를 제공하기는 하나, 한계점은 푸리에변환을 위한 IC의 연산량이 많이 필요로 되고, 아울러 전력 사용량도 꽤 수반되는 된다는 점이며, 분석기가 고가여서 보급이 제약된다.
위의 두 기술은 도 1을 기반으로 설명이 된다. 도 1은 부하전류를 설명하기 위한 그래프로서, 저항성 전류(Ir)는 부하에서 동력으로 사용되는 유효전력이며, 용량성 전류(Ic)는 부하에 충방전되며 전력을 소모하지 않는 무효전력이다.
누설전류는 누설되는 전류로서, 교류전원 단상 2선식의 경우, 2선을 모두 전류 클램프나 계기용 변류기(current transformer)를 통과시켜서, 정상적인 전기회로 외부로 빠져나가는 누설전류(ILK, leak current)를 센싱하게 된다. 누설전류의 저항성 누설전류(Igr)는 대지로 빠져나가는 전류로서, 인체를 통과하는 경우 감전 사고를 유발 할 수 있고, 전선의 절연이 열화된 경우에는 I2Rt 만큼의 열을 발생시켜 화재에 이르게 할 수도 있는 주의 및 감시를 요하는 전류이다. 용량성 누설전류(Igc)는 기본파에 의한 것도 있지만 SMPS 등을 사용할 경우에는 고조파 성분을 많이 발생시켜서 영향을 받아 커져서, 누설전류(ILK)가 크게 증가하는 경향이 관측되고 있다.
통상적으로 누설전류계로 측정한 누설전류(ILK)는 요즘 같이 SMPS를 많이 사용하는 환경에서는 저항성 누설전류(Igr) 값과 편차가 커서, 감전보호 및 화재예방 등을 위한 적절한 저항성 누설전류(Igr) 값을 추출하는 측정방법과 대책이 요구되고 있다.
대한민국 특허등록 제10-0876651호
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 저항성 누설전류(Igr)를 구하기 위한 푸리에변환으로 연산시 기본주파수(예를 들어, 60㎐)에 대해서 입력 전압값(Vin)을 유사 기본파 전압(VSF)으로 대치시켜서 저항성 누설전류(Igr)를 연산하여 구하거나 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(pavh)을 직접 연산한 후 푸리에급수를 사용한 해석을 통하여 저항성 누설전류(Igr)를 연산하여 구하게 함으로서, 연산량을 상대적으로 대폭 줄임으로써 고조파제거 필터도 불필요하고, 저전력 마이크로컨트롤러 유니트를 적용할 수 있도록 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 저가의 저항성 누설전류 분석기 또는 저항성 누설전류 감시기를 제작할 수 있어 건물, 공장, 가정의, 배전반, 분전반, 멀티탭, 저항성 누설전류(Igr) 누전차단기 등의 전기 누전 상태를 상시 감시 가능하게 하는 수단을 제공하고, 건물 또는 공장 등의 관리자가 전기선로가 열화되는 과정에서 조기에 신호를 감지할 수 있어 필요한 예비조치를 가능하게 하며, 전자식전력량계나 스마트그리드용 스마트미터 등에도 누설전류 상시감시기능을 적용할 수 있도록 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
전기선로의 입력 누설 전류값(Iin)을 측정하는 전류 클램프 센서와; 상기 전류 클램프 센서에서 측정된 입력 누설 전류값(Iin)를 전압값으로 변환하는 단말 저항과; 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 측정하는 프로브와; 상기 프로브에서 측정된 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 감쇄시키는 분압 저항; 및 상기 단말 저항으로부터 입력되는 입력 누설 전류값(Iin)을 전류 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하고, 상기 분압 저항으로부터 입력되는 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하여 변환된 입력 누설전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)을 직접 이용하여 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 연산부에서 연산하여 직렬 통신부를 통해 출력하는 마이크로컨트롤러 유니트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치는 상기 마이크로컨트롤러 유니트의 직렬 통신부를 통해 출력되는 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 포함하는 정보를 디스플레이하는 디스플레이 패널을 더 포함한다.
여기에서 또한, 상기 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치는 휴대용으로 제작되고, 전류 분해능을 10㎂ 이내의 고해상도 성능을 가지는 정밀 계측기로 사용된다.
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트는 상기 저항성 누설전류(Igr)를 연산시 푸리에변환 수식중 기본 주파수에 대해서만 입력 전압값(Vin)을 유사기본파 전압(VSF)으로 대치시켜서 연산하고, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)를 대입하여 계산하고, b1값이 유사기본파 전압인 입력 전압값(Vin)을 사용하여 연산한 값이므로, 이로부터 저항성 누설전류(Igr)를 구할 수 있는데, 이는 유사기본파 저항성 누설전류(Igr,SF)가 되고, 상기 마이크로컨트롤러 유니트에서는 실효치(Igr,SF)를 나타내므로, 실효치(Igr,SF)를, V값은 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)의 피크치인 관계를 이용하여, 유사기본파 저항성 누설전류값(Igr,SF)을 연산하여 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 한다.
여기에서 또, 상기 저항성 누설전류(Igr)는 아래 수학식 결과에 의해 연산된다.
Figure 112021130776708-pat00001
이때, 고조파 성분이 포함된 입력 전압에 대한 실효값(Vin,RMS)은
Figure 112021130776708-pat00002
연산으로 구하고, 이는 유사 기본파 전압(VSF)의 실효치값(VSF,RMS)이다.
여기에서 또, 상기 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)은
Figure 112021130776708-pat00003
에 의해 연산한다.
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트는 절연 저항(R)을 아래의 수학식과 같이 연산한다.
Figure 112021130776708-pat00004
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트는 상기 저항성 누설전류(Igr)를 연산시, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)을 연산하고, 푸리에변환의 푸리에급수 표현을 해석에 사용하여, 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)과 n차 고조파성분의 실효치전압(Vn)의 관계식에 대입하여 도출한 결과식으로부터 연산한 누설저항값(R)과 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)을 사용하여 저항성 누설전류값에 대한 실효값(Igr,RMS)을 연산해서 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 한다.
여기에서 또, 상기 저항성 누설전류(Igr)는 아래의 수학식의 결과에 의해 연산한다.
Figure 112021130776708-pat00005
여기에서 또, 상기 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)은
Figure 112021130776708-pat00006
에 의해 연산한다.
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트는 절연 저항(R)을 아래의 수학식과 같이 연산한다.
Figure 112021130776708-pat00007
본 발명의 다른 특징은,
분기선로의 입력 누설 전류값(Iin)을 측정하는 복수의 계기용 변류기와; 각각의 상기 계기용 변류기에서 측정된 입력 누설 전류값(Iin)를 각각 전압값으로 변환하는 단말 저항과; 메인 입력선로의 입력 전압값(Vin)을 측정하는 프로브와; 상기 프로브에서 측정된 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 감쇄시키는 분압 저항; 및 각각의 상기 단말 저항으로부터 입력되는 각각의 입력 누설 전류값(Iin)을 각각의 전류 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하고, 상기 분압 저항으로부터 입력되는 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하여 변환된 복수의 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)을 직접 이용하여 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연 저항(R)을 연산부에서 연산하여 직렬 통신부를 통해 출력하는 마이크로컨트롤러 유니트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치는 상기 마이크로컨트롤러 유니트의 직렬 통신부를 통해 출력되는 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 포함하는 정보를 디스플레이하는 디스플레이 패널을 더 포함한다.
여기에서, 상기 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치는 분기 선로에 고정 설치되고, 전류 분해능을 50㎂ 이내의 해상도 성능을 가지는 다채널 감시기로 사용된다.
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트는 상기 저항성 누설전류(Igr)를 연산시 푸리에변환 수식중 기본 주파수에 대해서만 입력 전압값(Vin)을 유사기본파 전압(VSF)으로 대치시켜서 연산하고, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)를 대입하여 계산하고, b1값이 유사기본파 전압인 입력 전압값(Vin)을 사용하여 연산한 값이므로, 이로부터 저항성 누설전류(Igr)를 구할 수 있는데, 이는 유사기본파 저항성 누설전류(Igr,SF)가 되고, 상기 마이크로컨트롤러 유니트에서는 실효치(Igr,SF)를 나타내므로, 실효치(Igr,SF)를, V값은 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)의 피크치인 관계를 이용하여, 유사기본파 저항성 누설전류(Igr,SF)값을 연산하여 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 한다.
여기에서 또, 상기 저항성 누설전류(Igr)는 아래 수학식 결과에 의해 연산된다.
Figure 112021130776708-pat00008
이때, 고조파 성분이 포함된 입력 전압에 대한 실효값(Vin,RMS)은
Figure 112021130776708-pat00009
연산으로 구하고, 이는 유사 기본파 전압(VSF)의 실효치값(VSF,RMS)이다.
여기에서 또, 상기 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)은
Figure 112021130776708-pat00010
에 의해 연산한다.
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트는 절연 저항(R)을 아래의 수학식과 같이 연산한다.
Figure 112021130776708-pat00011
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트는 상기 저항성 누설전류(Igr)를 연산시, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)을 연산하고, 푸리에변환의 푸리에급수 표현을 해석에 사용하여, 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)과 n차 고조파성분의 실효치전압(Vn)의 관계식에 대입하여 도출한 결과식으로부터 연산한 누설저항값(R)과 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)을 사용하여 저항성 누설전류값에 대한 실효값(Igr,RMS)을 연산해서 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 한다.
여기에서 또, 상기 저항성 누설전류(Igr)는 아래의 수학식의 결과에 의해 연산한다.
Figure 112021130776708-pat00012
여기에서 또, 상기 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)은
Figure 112021130776708-pat00013
에 의해 연산한다.
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트는 절연 저항(R)을 아래의 수학식과 같이 연산한다.
Figure 112021130776708-pat00014
여기에서 또, 상기 마이크로컨트롤러 유니트의 직렬 통신부는 외부 통신망과 연결되어 상위 시스템으로 측정 시간, 상기 계기용 변류기 번호, 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 포함하는 데이터를 전송한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치에 따르면, 현재까지 저항성 누설전류 분석기에서 저항성 누설전류(Igr) 연산을 위한 불필요한 연산 과정을 생략하고, 필요한 연산만을 수행하여 저항성 누설전류(Igr)를 연산하도록 함으로써 회로 부품이 매우 간단하고, 저가의 마이크로컨트롤러 유니트의 적용이 가능하며 연산이 간단해져 마이크로컨트롤러 유니트의 전력 소비를 최소화시켜 휴대성을 향상시키고, 유지 관리 비용을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 저가의 저항성 누설전류 분석기 또는 저항성 누설전류 감시기를 제작할 수 있어 건물, 공장, 가정, 배전반, 분전반, 멀티탭, 저항성 누설전류(Igr) 누전차단기 등의 전기 누전 상태를 상시 감시 가능하게 하는 수단을 제공하고, 건물 또는 공장 등의 관리자가 전기선로가 열화되는 과정에서 조기에 신호를 감지할 수 있어 필요한 예비조치를 가능하게 하며, 전자식전력량계나 스마트그리드용 스마트미터 등에도 누설전류 상시감시기능을 적용할 수 있다.
도 1은 부하전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치의 마이크로컨트롤러 유니트의 연산 과정에 대한 이론적 배경을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명을 설명하기 위한 전원에서부터 부하까지를 나타내는 등가회로이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
《제 1실시예》
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치의 마이크로컨트롤러 유니트의 연산 과정에 대한 이론적 배경을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치(1)는 전류 클램프 센서(10)와, 단말 저항(R1)과, 프로브(20)와, 분압 저항(R2, R3)과, 마이크로컨트롤러 유니트(30) 및 디스플레이 패널(40)로 구성된다.
먼저, 전류 클램프 센서(10)는 전기선로의 입력 누설 전류값(Iin)을 측정한다. 이때, 전류 클램프 센서(10)는 전류 분해능을 10㎂ 이내의 고해상도 성능을 가지는 제품이 적용되는 것이 바람직하다.
그리고, 저항(R1)은 전류 클램프 센서(10)에서 측정된 입력 누설 전류값(Iin)을 전압값으로 변환한다. 이 경우 전압신호의 크기가 매우 미약할 수 있으므로 미세신호증폭기(미도시)를 저항(R1) 후단에 삽입하여 전압신호의 크기를 크게 해 줄 수 있다.
또한, 프로브(20)는 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 측정한다.
또, 분압 저항(R2, R3)은 프로브(20)에서 측정된 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 ADC 입력에 필요한 만큼 감쇄시킨다.
이어서, 마이크로컨트롤러 유니트(30)는 단말 저항(R1)으로부터 입력되는 입력 누설 전류값(Iin)을 전류 ADC(31)를 통해 디지털 신호로 변환하고, 분압 저항(R2, R3)으로부터 입력되는 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC(33)를 통해 디지털 신호로 변환하여 변환된 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)을 직접 이용하여 연산부(35)에서 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 연산하여 직렬 통신부(37)를 통해 출력한다.
직렬 통신부(37)는 UART나 SPI이 적용되고, 상위 단말기와 통신을 통해 측정 시간, 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R) 등이 포함된 정보를 전송할 수 있다.
그리고, 디스플레이 패널(40)은 마이크로컨트롤러 유니트(30)의 직렬 통신부(37)를 통해 출력되는 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 포함하는 정보를 디스플레이한다. 이때, 디스플레이 패널(40)은 선택에 따라 제거할 수도 있다.
즉, 본 발명의 제 1실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치(1)는 휴대용으로 제작되어 정밀 계측기로 사용되는 것이 바람직하다.
한편, 마이크로컨트롤러 유니트(30)의 연산부(37)의 연산 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
SMPS를 사용 부하의 전압 전류 특성을 분석하면 다음과 같다.
최근 LED 전등, 냉장고, 에어컨 등의 전자기기에서 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 사용하여 교류전원을 직류로 변환하여 사용하는 기기가 급속히 보급되고 있어서 60㎐성분 이외에 이의 정수배에 해당하는 고조파 성분이 상당히 나타나게 된다.
1) 전압파형 및 전류파형 관측 실험
도 3은 전압 및 전류 관측 실험을 위해, 오실로스코프(oscilloscope)를 연결한 개념도를 나타낸다. R은 절연체의 열화 등으로 나타나는 누설저항이며, C는 전기 선로와 대지 간에 존재하는 정전용량이다.
도 4는 전원 콘센트에서 위와 같이 연결하여 오실로스코프로 관측한 파형으로서, 총 7가지의 경우를 보여주고 있다.
(a)~(c)는 선풍기의 전압(V)과 전류(I), (d)~(h)는 인버터 에어컨의 전압(V)과 전류(I), (i)는 전력품질분석기에서의 전압(V)과 전류(V)를 보여준다. 이들의 붉은 색이 전압(V) 파형이며, 어느 경우에나 정현파 상태를 거의 유지하고 있고, 같은 화면에서 노란색의 전류(I) 파형은 정현파 형태에서 많이 찌그러지고 벗어난 모습을 보여주고 있어서, 그만큼의 고조파 성분이 많이 포함되어 있음을 시사하는 사진이다.
(a)는 선풍기 강풍에서의 전압(V)과 전류(I) 파형으로서, 붉은색의 전압(V) 파형은 전원전압 그대로 정현파임을 보여주고 있고, 제어가 없는 모터 부하 상태에서 전류(I) 파형이 미세하게 찌그러져 있으며 위상 지연이 있음을 보여주고 있다.
(b)는 선풍기 약풍에서의 전압(V)과 전류(I) 파형으로서, 붉은색의 전압(V) 파형은 전원전압 그대로 정현파임을 보여주고 있고, 바람의 세기 제약회로가 상대적으로 적게 작용하는 모터 부하 상태에서, 전류(I) 파형이 약간 찌그러져 있으며 위상 지연이 또한 있음을 보여주고 있다.
(c)는 선풍기 미풍에서의 전압(V)과 전류(I) 파형으로서, 붉은색의 전압(V) 파형은 전원전압 그대로 정현파임을 보여주고 있고, 바람의 세기 제약회로가 상대적으로 많게 작용하는 모터 부하 상태에서, 전류(I) 파형이 많이 찌그러져 있으며 위상 지연이 또한 있음을 보여주고 있다.
(d)는 SMPS를 사용한 인버터 모터 에어컨을 약하게 가동하고, 전원측에서 관측한 파형으로서, 전기기술자들의 많이 언급하는, 'SMPS 부하는 고조파를 많이 포함하고 있어서 문제가 되고 있다는 말'을 시각적으로 보여주고 있다. 여기에서 보여주는 것은 고조파 성분이 전류에만 나타나서 전류 파형이 심하게 찌그러지고 있는 것을 보여주고 있고, 전압 파형은 정현파 그대로 유지되고 있음을 보여주고 있다. 전압 파형이 정현파를 유지하고 있다는 것은 전력품질분석기를 많이 사용하며 전기설비진단하는 분들도 익히 인지하고 있는 사항이다.
(e)는 SMPS를 사용한 인버터 모터 에어콘을 세게 가동하고, 전원측에서 관측한 파형으로서, (d)의 경우보다 전류의 세기가 더 증가하였음을 보여준다. 시간축은 칸당 2㎳로서 주기가 8칸여로 전원주파수 60Hz에 해당하는 약 16.7㎳의 주기를 보여 주고 있다.
(f)는 이 파형의 부분을 시간축을 칸당 500㎲까지 확대하여 본 파형이다.
(g)는 이 파형의 부분을 시간축을 칸당 50㎲까지 확대하여 본 파형으로서, 여기에서 주기 약 25㎲ 정도로 변동하는 고조파 전류 파형을 볼 수 있고, 이는 SMPS 스위칭에 기인한 전류변화에 따른 것으로서 스위칭 속도가 약 40㎑ 정도임을 보여주고 있다. 일반적으로, SMPS의 스위칭 속도는 20~100㎑ 정도로 알려져 있다.
(h)는 인버터 모터 에어컨의 습기제거 모드시의 파형이다.
(i)는 SMPS 시험용 설비에서 SMPS부의 전원 측에서 전력품질분석기로 관측한 파형이다.
2) 푸리에 스펙트럼 관점에서의 해석
푸리에스펙트럼이란 비정현파 주기함수 f(t)를 푸리에급수로 아래의 수학식 1과 같이 전개할 수 있다는 것을 말한다.
Figure 112021130776708-pat00015
즉, 교류 f0=60Hz의 경우 ω0=2πf0=120π 로 나타내는 ω0와 1주기의 평균치 a0를 이용하여 수학식 1과 같이 표현한다. a0는 교류에서 "0"이라 생략되어도 무관하다.
이를 또한 sin 항만으로 표현하여 아래와 같이 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112021130776708-pat00016
여기서, a1은 교류를 벡터로 나타낼 때 기본파의 허수성분이고, b1은 기본파의 실수성분이며, c1은 기본파의 총성분으로, 크기 관계는
Figure 112021130776708-pat00017
이다. an, bn, cn은 n차 고조파에 대한 것으로서 각각이 같은 관계가 성립한다. cn이 n차 고조파의 크기를 나타낸다.
푸리에변환은 a1 및 b1값을 연산하는 적분 수식으로 연산하여야 하고, 나중에 c1 값을 연산하고, an, bn, cn도 같은 방식으로 연산하는 과정이다. 이는 전용 푸리에변환 IC나 범용 CPU에서 많고 복잡한 연산과정을 수반하며, 이 연산량에 어느정도 비례하는 정도로 전력이 소모되게 된다. 이런 과정을 통하여 기본파에 대한 a1, b1, c1의 정확한 값이 계산된다.
표 1은 2021년 중에 건물 전기설비진단시, 변압기 2차측에서 전력품질분석기로 측정한 결과로 작성된, 고조파 차수별 측정 데이터의 예를 보여준다. 이 데이터에서 전압파형 THD(total harmonic distortion, 총고조파함유율)는 상 별로 1.98%~2.36% 임을 보여준다. 전류파형 THD는 상 별로 14.8%~31.15%로 비교적 크게 나타남을 보여준다. THD는 기본파 이외의 파형 에너지가 기본파에 대비하여 얼마인가의 정도를 수치로 나타낸다. 전류의 THD가 높아지면 전압의 THD도 작지만 높아지는 관계가 있다. 예전의 전력부하의 경우에는 파형 찌그러짐이 거의 없었다고 보나, 요즘같이 SMPS의 사용이 많은 전력부하의 경우는 아래의 측정 예에서와 같이 전류의 THD가 꽤 높아지며 전압의 THD도 조금은 나타남을 이해할 수 있다.
전압고조파 측정 데이터
AN BN CN
전압 고조파 전압 고조파 전압 고조파
3차 5차 7차 THD 3차 5차 7차 THD 3차 5차 7차 THD
0.37 0.77 1.91 2.36 0.3 0.71 1.59 2.11 0.09 0.94 1.5 1.98
전류고조파 측정 데이터
A B C
전류 고조파 전류 고조파 전류 고조파
3차 5차 7차 THD 3차 5차 7차 THD 3차 5차 7차 THD
19.48 10.04 18.24 31.15 5.97 6.38 12.68 20.65 7.99 3.77 10.15 14.84
도 5는 기본파에 고조파가 추가되어 있는 경우에, 결과적인 파형이 어떻게 되는가 하는 파형 분해 또는 파형합성의 예를 시각적으로 보여준다. 이는 기본파 이외의 고조파가 있는 경우 기본파 파형에서 벗어나서 변형되는 모습을 설명한다.
이러한 관계로 본 발명의 마이크로컨트롤러 유니트(30)의 연산부(37)는 탐지되는 입력 전압 파형, 즉 입력 전압값(Vin)을 유사 기본파 전압(VSF, similarly fundamental voltage)이라 하고, 이를 기본파 전압 파형으로 대신 대체하여, 푸리에변환 연산에 사용하고자 하는 것이다. 아래의 수학식 3으로 나타낸다.
Figure 112021130776708-pat00018
이렇게 하면, 입력 전압값(Vin)을 그대로 사용하므로, 고조파제거 필터를 사용할 필요가 없어지게 되고, 푸리에변환 같은 복잡한 연산을 연산에서 제외시킬 수 있다.
이로 인해, 입력 전압값(Vin)에 대하여 필요한 회로 부품이 매우 간단해지며, 기본파 전압 파형 도출을 위한 연산이 없어지고, 연산에 소모되는 전력 또한 불필요하게 된다. 한가지, 입력 전압값(Vin)의 THD 함유량의 정도에 비례하여 작은 오차가 발생하는 점은 있으나, 1㎃ 이하의 작은 누설전류에서는 측정기 회로가 간단해져 오차가 줄어드는 이점도 있다.
입력 전류 파형, 즉 입력 누설 전류값(Iin)에 대하여는, 찌그러짐이 덜한 경우도 있지만, SMPS 사용 부하의 경우에 찌그러짐이 심하여 고조파 성분이 많이 포함되어 있는 만큼, 해당 전기선로의 누설전류에도 영향을 주어, 누설전류에도 고조파를 많이 포함하게 야기하고, 고조파 과다 포함 현상이 또한 누설전류계로 측정되고 있다.
따라서, 전류 클램프 센서(10)로 감지되는 누설전류에도 고조파 성분이 많이 포함되는 경우가 생기므로, 푸리에변환 연산에서 기본파 추출 관련으로 연산을 간소화시킬 필요가 있다.
먼저 입력 전류 파형, 즉 입력 누설 전류값(Iin)의 기본파 추출을 위한 연산 간략화를 설명한다.
본 발명에서는, 전류 클램프 센서(10)(또는 계기용 변류기(도 6의 10′))에서 나오는 전류를 단말 저항(R1)을 붙여서 V=IR 관계로 전압으로 변환한 후, 마이크로컨트롤러 유니트(30)에 내장된 전류 ADC(31, analog-to-digital conversion)에 입력으로 주어 연산을 하도록 하였기에, 입력 누설 전류값(Iin)에 대하여도 전압 파형에 대한 수학식을 동일하게 적용할 수 있다. 아래의 수학식 4는 an값과 bn값을 구하는 푸리에변환 연산을 위한 수학식이다.
Figure 112021130776708-pat00019
푸리에변환 연산은 위의 수학식 4의 두개식 모두, 먼저 나오는 적분부분을 사용하여, a1, b1값부터 각각 an, bn값까지 구하는 연산이 된다. 이 연산의 의미가 두 수식의 오른쪽 끝 적분 부분으로 나타내어지는데, 이는 해당 n차 고조파 성분의 값임을 보여주고 있다.
본 발명에서는, 기본파 저항성 누설전류분을 연산하기에는 b1값만 구하는 연산으로 충분하다고 해석한다. 이에 따라, 푸리에변환의 많은 연산을 제거하여, 적분 수식 한 개만 연산하는 것으로 하고, 이에 따라 소모전력 또한 많이 줄여줌을 의미한다. 추가로, sinω0t는 기본파성분에 해당하므로, 유사 기본파 전압(VSF)인 입력 전압값(Vin)으로 대체하여 사용하는 방법을 취한다.
이로 인해, 2차수 이상의 고조파 성분에 대한 연산이 제거되게 되며, 아울러 a1값은 용량성 누설전류분과 관계된 것이라, 용량성 누설전류(Igc) 값을 저항 구하는데 필요할 뿐이므로 연산하는 것을 생략할 수 있다. 이렇게, 꼭 필요한 연산만을 하는 것이, 마이크로컨트롤러 유니트(30)의 연산을 줄여주는 방법이고, 아울러 소모전력 또한 줄여주는 결과를 가져온다. 참고로, 정확한 해석을 하는 전력품질분석기의 경우, 50차 고조파까지의 값이 모두 연산되어 나오는 데 이는 a1~a50 및 b1~b50을 구하는 연산이 요구된다.
계속해서, 마이크로컨트롤러 유니트(30)에서 저항성 누설전류값(Igr)을 연산하는 과정을 설명한다.
마이크로컨트롤러 유니트(30)에서 용량성 누설전류(Igc)를 추가로 구하려 한다면, a1값을 구하여야 하고, 기본파 sinωot 에서 270˚ 위상지연을 주어서 cosωot 함수를 발생시켜야 한다. 이는 유사 기본파 전압(VSF)을 1/4 주기 지연시키고 부호를 바꾸어 발생시킬 수 있는바, 방법으로는 샘플링되어 전류 ADC(31)에서 변환되는 결과값을 메모리에 순차적으로 계속 저장하면서 그것을 1/4주기 지나서 계속 불러와서 연산에 사용한 후 최종값의 부호를 바꾸어 주는 추가의 과정으로 실현될 수 있다. 또는, 전류 변환값을 1/4주기 지연시켜서 최종값을 구하게 할 수도 있다. 용량성 누설전류값(Igc) 구하는 것을 수식을 풀자면, 아래 수학식 5가 a1값을 구하는 수식으로 변형되고, 수학식 6을 연산한 후, 그러면 수학식 7과 같이 유사기본파 용량성 누설전류값(Igc,SF)을 구할 수 있게 된다.
마이크로컨트롤러 유니트(30)에서 수학식 3의 푸리에변환 수식 중에서 아래의 수학식 5와 같이 b1값만을 구하여 계산한다. b1값의 의미는 저항성 누설전류 파형의 피크치이다.
Figure 112021130776708-pat00020
여기서, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)는 아래의 수학식 6에서 설명한다.
Figure 112021130776708-pat00021
고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)은 고조파를 포함한 누설전류를 전류 클램프 센서(10)(또는 계기용 변류기(도 6의 10′))로 감지한 입력 누설 전류값(Iin)과 고조파를 포함한 전원전압을 프로브(20)로 감지한 입력 전압값(Vin)의 관계에서 구한 평균전력이다.
평균전력 구하는 연산은 잘 알려진 연산이며, 마이크로컨트롤러 유니트(30) 작동과 연관지어 설명하면, 입력을 초당 예를 들어 20ksps(kilo sample per second) 등으로 샘플링하며, 매 샘플링시 마다 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)에 대응하는 2개의 디지털 변환값 쌍이 2개의 전류 ADC(31)와 전압 ADC(33)로부터 생성되며, 이 쌍을 마이크로컨트롤러 유니트(30)의 연산부(37)는 서로 곱하여 더하는 연산을 1주기에 해당하는 샘플링횟수(N) 만큼 반복하여 토탈값(Total)을 생성한 후, 토탈값/N 계산을 하면, 이 값은 유사기본파에 해당되는 값이 된다.
b1값은 유사기본파 전압인 입력 전압값(Vin)을 사용하여 연산한 값이므로, 이로부터 저항성 누설전류값(Igr)을 구할 수 있는데, 이는 유사기본파 저항성 누설전류(Igr,SF)가 된다. 마이크로컨트롤러 유니트(30)에서는 실효치를 나타내므로, 실효치(Igr,SF)를, V값은 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)의 피크치인 관계를 이용하여, 아래의 수학식 7과 같이 계산하여 유사기본파 저항성 누설전류값(Igr,SF)을 계산하여, 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 한다.
Figure 112021130776708-pat00022
여기서, 고조파 성분이 포함된 입력 전압에 대한 실효값(Vin,RMS)은 잘 알려진
Figure 112021130776708-pat00023
연산으로 구한다. 이는 유사 기본파 전압(VSF)의 실효치값(VSF,RMS) 이기도 하다.
이어서, 마이크로컨트롤러 유니트(30)에서 누설전류(Ig)를 연산하는 과정을 설명한다.
전류 클램프 센서(10)(또는 계기용 변류기(도 6의 10′))에서 나오는 전류를 저항(R1)을 붙여서 V=IR 관계로 전압으로 변환한 후, 마이크로컨트롤러 유니트(30)에 내장된 전류 ADC(31, analog-to-digital conversion)에 입력으로 주어 입력 누설 전류값(Iin)에 대한 실효값(IRMS)을 산출하여 누설전류(Ig)로 한다.
이때, 입력전류실효값(IRMS)과, 입력전압실효값(VRMS) 연산은, 별도의 ADC가 필요없이 전류 ADC(31)와 전압 ADC(33)의 결과값을 같이 사용하며 마이크로컨트롤러 유니트(30)에 내장되어 있는 전류 ADC(31)와 전압 ADC(33)만으로 전체 연산을 수행한다.
여기서 입력 누설 전류값(Iin)을 그 의미에 따라서 누설전류(ILk)라 하기도 하고, 대지로 가는 전류라 하여 Ig(ground current)라 하기도 하며, 모두 같은 값이어서, Iin = ILk = Ig이다. 본 발명의 주안점이 감전 및 화재보호이고, 저항성 누설전류(Igr) 분석 및 감지이므로, Ig로 표현하였다.
그리고, 마이크로컨트롤러 유니트(30)에서 아래의 수학식 8을 이용하여 누설전류회로에 대한 절연저항(R)을 연산한다.
Figure 112021130776708-pat00024
이와 같은 연산을 통해 마이크로컨트롤러 유니트(30)는 저항성 누설전류계가 산출해야하는 값은 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig), 절연저항(R)을 모두 연산한다. 또한, 용량성 누설전류(Igc)도 연산될 수 있다.
《제 2실시예》
도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치(1)는 계기용 변류기(10′)와, 저항(R1)과, 프로브(20)와, 분압저항(R2, R3)과, 마이크로컨트롤러 유니트(30) 및 디스플레이 패널(40)로 구성된다.
먼저, 계기용 변류기(10′)는 분기선로의 입력 누설 전류값(Iin)을 측정한다. 이때, 계기용 변류기(10′)는 분기 선로에 고정 설치되고, 전류 분해능 50㎂ 이내의 해상도 성능을 가지는 제품이 적용되는 것이 바람직하다.
그리고, 단말 저항(R1)은 각각의 계기용 변류기(10′)에서 측정된 입력 누설 전류값(Iin)을 전압값으로 변환한다. 이 경우 전압신호의 크기가 매우 미약할 수 있으므로 미세신호증폭기(미도시)를 저항(R1) 후단에 삽입하여 전압신호의 크기를 크게 해 줄 수 있다.
또한, 프로브(20)는 메인 입력선로의 입력 전압값(Vin)을 측정한다.
또, 분압저항(R2, R3)은 프로브(20)에서 측정된 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC(33) 입력에 필요한 범위로 감쇄시킨다.
이어서, 마이크로컨트롤러 유니트(30)는 단말 저항(R1)으로부터 입력되는 각각의 입력 누설 전류값(Iin)을 복수의 전류 ADC(31)(예를 들어 1~6 전류 ADC)를 통해 각각 디지털 신호로 변환하고, 분압저항(R2, R3)으로부터 입력되는 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC(33)를 통해 디지털 신호로 변환하여 변환된 각각의 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)을 직접 이용하여 연산부(35)에서 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 연산하여 직렬 통신부(37)를 통해 출력한다.
직렬 통신부(37)는 UART나 SPI가 적용되고, 상위 레벨 감시기와 통신을 통해 측정 시간, 계기용 변류기(10′) 시리얼 번호, 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R) 등이 포함된 정보를 전송할 수 있다.
그리고, 디스플레이 패널(40)은 마이크로컨트롤러 유니트(30)의 직렬 통신부(37)를 통해 출력되는 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 포함하는 정보를 디스플레이한다. 이때, 디스플레이 패널(40)은 선택에 따라 제거할 수도 있다.
즉, 본 발명의 제 2실시예에 따른 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치(100)는 분기 선로에 고정 설치되는 다채널 감시기로 사용되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제 1, 2실시예에서 마이크로컨트롤러 유니트(30)의 연산부(37)는 상기의 다른 방식으로 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig), 절연저항(R)을 모두 연산하는 데 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명을 설명하기 위한 전원에서부터 부하까지를 나타내는 등가회로이다.
연산부(37)가 상기의 설명과 다르게 저항성 누설전류(Igr)를 구하는 또 다른 방법은, 유사 기본파 전압(VSF) 개념을 사용하지 않고, 고조파가 포함된 회로의 평균전력값(Pavh)을 수학식 6을 이용하여 먼저 연산한 후 다른 방식으로 도출하는 과정을 거친다.
도 7에 도시된 바와 같이 R1과 R2는 전기선로의 누설저항을 나타내며, C1과 C2는 전기선로에 나타나는 용량성분을 나타낸다. 이 등가회로의 관측마디(S)에서 회로를 살펴보면, Igr1은 R1을 통하여 흐르는 저항성 누설전류이고, Igc1은 C1을 통하여 흐르는 용량성 누설전류이며, R2 및 C2는 전원측으로 접지된 선로에 연결되어 있으므로 R2 및 C2 양단의 전압값이 거의 없으므로 이를 통하여 흐르는 누설전류인 Igr2과 Igc2는 "0"으로 간주하여도 된다. 만약에 이 양단의 전압값이 약간 발생하여 회로에 영향을 준다면 그 값을 등가회로로 환산하여 R1과 C1을 조정하여 대표값으로 포함시킬 수 있으므로, 이 경우에도 R2와 C2를 통한 누설전류를 역시 무시하여도 된다고 본다. 그러므로 Igr=Igr1이고, Igc=Igc1이며, 전원으로부터 공급되는 총누설전류(Ig)는 Igr+Igc 로 구성된다. 도 7에서 누설전류클램프는 이 총누설전류를 탐지하고 있음을 보여준다. 아래의 수학식에서는 R1을 R이라 놓고 풀어간다.
전류 클램프 센서(10)(또는 계기용 변류기(도 6의 10′))에서 나오는 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)과의 평균전력을 나타내는 수식은 수학식 6과 같다. 이 평균전력값(Pavh)의 의미는 유효전력이므로, 누설저항(R)에 흐르는 저항성 누설전류(Igr)에 기인한 전력이 되며, 이는 충방전을 되풀이하는 누설용량(C)에서 발생하는 무효전력과는 무관한 전력이 됨을 의미한다.
푸리에변환의 푸리에급수를 사용하여, 고조파가 포함된 회로의 평균전력값(Pavh)은 아래의 수학식 9와 같이 각 고조파가 단독적으로 공급하는 평균전력의 합(P)과 같다.
Figure 112021130776708-pat00025
아래와 같이 푸리에급수로 표현된 입력 전압값(Vin)에서 도출된다.
Figure 112022007029387-pat00049
그리고, 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)과 n차 고조파성분의 실효치전압(Vn)을 수학식 11에 대입한다.
Figure 112021130776708-pat00027
실효값(VRMS)은 일반적인 연산을 이용하고, 연산된 실효값(VRMS)을 이용하여 아래의 수학식 12와 같이 누설저항값(R)을 계산한다.
Figure 112021130776708-pat00028
이는 아래의 수학식 16의 결과를 적용하면
Figure 112021130776708-pat00029
로 변환된다.
또한, 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 아래의 수학식 13과 같이 표현한다.
Figure 112021130776708-pat00030
이 전압이 저항(R)에 인가된 경우의 전류와의 관계를 해석해보면, 누설저항(R)에 흐르는 전류가 유효전력을 발생하여 저항성 누설전류(Igr)이 되며, 각각의 고조파 성분 전압파형이 누설저항(R)을 통하여 흐르는 각각의 고조파성분 전류의 총합이 저항성 누설전류(Igr)가 되어, 저항성 누설전류(Igr)은 아래와 수학식 14와 같이 표현된다.
Figure 112021130776708-pat00031
이를 정리하면, 아래의 수학식 15와 같다.
Figure 112021130776708-pat00032
양변의 실효치를 구하면, 아래의 수학식 16과 같다.
Figure 112021130776708-pat00033
여기에 수학식 11의 R 값을 적용하면 아래의 수학식 17과 같이 변환되며, 이는 수학식 7의 결과와 같아진다.
Figure 112021130776708-pat00034
상기에서 도출한 누설저항값(R)과 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)을 사용하여 계산한 결과인 저항성 누설전류값에 대한 실효값(Igr,RMS)을 저항성누설전류값(Igr)으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면 종래의 저항성 누설전류계를 제작할 때, 불필요한 연산 과정은 과감하게 생략할 수 있는데, 입력 전압값(Vin)을 유사 기본파전압(VSF)으로 하여 이를 기본파 전압파형으로 대신 대체하여 푸리에변환 연산에 사용하거나 또는 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)을 직접 연산한 후 푸리에급수를 사용한 해석을 통하여 저항성 누설전류(Igr)를 연산하여 구하게 함으로서, 입력 전압값(Vin)에 대하여 고조파제거 필터를 사용할 필요가 없어지게 되고, 입력 전압값(Vin)에 대한 푸리에변환 같은 복잡한 연산을 생략할 수 있다.
입력 전압값(Vin)을 감쇄시켜 바로 전압 ADC 입력에 연결함으로서, 입력 전압값(Vin) 연결을 위해 필요한 회로 부품이 매우 간단해지며, 입력 전압값(Vin)의 기본파 도출을 위한 연산도 필요 없어지고, 연산에 소모되는 전력 또한 필요 없어지게 된다.
이에 따라, 필요한 연산량이 대폭 줄게 되고, 소모전력 또한 줄어들게 된다.
입력 전압값(Vin)의 THD 함유량의 정도에 비례하여 작은 오차가 발생할 수 있다는 점은 있으나, 1㎃ 이하의 누설전류에서는 측정기 회로가 간단해져서 오히려 오차 줄어드는 이점이 생긴다.
KWE 5050SE 누설전류분석기의 경우에도 기본파 전류성분(Io), 기본파 저항성 전류성분(Ior), 고조파 전류성분(Iom) 분석 및 이를 이용한 저항값(R)을 계산하여 LCD에 표시하고 있는 것과 메뉴얼을 참작하면 푸리에변환 연산을 상당량하고 있는 것으로 보인다. 참고로, 정확한 해석을 하는 전력품질분석기의 경우, 50차 고조파 까지의 값이 모두 연산되어 나오는 데 이에는 a1~a50 및 b1~b50을 구하는 연산이 요구된다.
한편, 마이크로컨트롤러 유니트 선정 관점에서 보면, ADC 2개 이상 내장한 것을 선택하여, 각각 전압 변환용에 1개와 전류 변환용에 1개를 사용하면 되고, 최근에는 ADC 2개~7개를 내장한 마이크로컨트롤러 유니트도 있으니, 줄어든 필요 연산량을 감안하여, 저렴한 마이크로컨트롤러 유니트를 선정하여 사용할 수 있다. 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)사의 경우에 1000개 단위로 주문할 때 1개당 2~3$ 근처의 가격이 나오는 것이 있는데, 24-비트(bit) 시그마델타 ADC 2개를 포함하고 있으며, 10-비트(bit) ADC도 여럿 내장하고 있다. 이런 정도의 초저전력 마이크로컨트롤러 유니트 하나로도 본 발명에서 필요로 하는 기능을 구현할 수 있다.
마이크로컨트롤러 유니트의 연산량을 줄여 소모전력을 줄여준다는 관점에서, 배터리를 사용하는 휴대용 분석기 또는 계측기에도 바람직하고, 상시 감시하는 감시기의 경우에도 추가로 상시 사용되는 전력이라 최소화하여야 하는 것이다.
본 발명이 저항성 누설전류분석기로 사용되는 경우에는 고정밀도를 요구하기 때문에, 위의 내장된 24-비트 ADC 2개를 가동시키고, 고정밀도 클램프 센서를 적용하고, 필요시 입력에 미세신호증폭기를 추가하면, 가능하게 된다.
또한, 본 발명이 저항성 누설전류감시기로 사용되는 경우에는 중간정도의 정밀도를 요구하기 때문에 같은 시리즈 마이크로컨트롤러 유니트 중에 ADC 7개 내장된 버전으로 선택하여, 1개는 입력전압에 연결하고, 6개는 분기회로에 적절한 계기용 변류기를 고정하여 쉽게 6개 채널까지 감시할 수 있게 구성할 수 있다.
본 발명은 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석기술을 정립하여, 정밀도 있는 저항성 누설전류분석기 제작은 물론, 저렴한 가격대성능비로 전류분해능 20~30㎂ 정도로 상시 다채널 저항성 누설전류 감시를 가능하게 하는 감시기 제작에 관한 것이다. 건물, 공장, 가정의, 배전반, 분전반, 멀티탭, 저항성 누설전류(Igr) 누전차단기 등의 전기누전 상태를 상시감시 가능하게 하는 수단을 제공하고, 건물 또는 공장 등의 관리자가 전기선로가 열화되는 과정에서 조기에 신호를 감지할 수 있어 필요한 예비조치를 취할 수 있게 하는데 사용될 수도 있다. 스마트그리드용 스마트미터 등에도 누설전류 상시감시기능을 추가할 수도 있을 것이다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 전류 클램프 센서 10′ : 계기용 변류기
20 : 프로브 30 : 마이크로컨트롤러 유니트
40 : 디스플레이 패널 R1 : 단말 저항
R2, R3 : 분압 저항

Claims (14)

  1. 전기선로의 입력 누설 전류값(Iin)을 측정하는 전류 클램프 센서와;
    상기 전류 클램프 센서에서 측정된 입력 누설 전류값(Iin)을 전압값으로 변환하는 저항과;
    전기선로의 입력 전압값(Vin)을 측정하는 프로브와;
    상기 프로브에서 측정된 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 감쇄시키는 분압 저항; 및
    상기 저항으로부터 입력되는 입력 누설 전류값(Iin)을 전류 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하고, 상기 분압 저항으로부터 입력되는 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하여 변환된 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)을 직접 이용하여 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 연산부에서 연산하여 직렬 통신부를 통해 출력하는 마이크로컨트롤러 유니트를 포함하며,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트는,
    상기 저항성 누설전류(Igr)를 연산시 푸리에변환 수식중 기본 주파수에 대해서만 입력 전압값(Vin)을 유사기본파 전압(VSF)으로 대치시켜서 연산하고, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)를 대입하여 계산하고, b1값이 유사기본파 전압인 입력 전압값(Vin)을 사용하여 연산한 값이므로, 이로부터 저항성 누설전류(Igr)를 구할 수 있는데, 이는 유사기본파 저항성 누설전류(Igr,SF)가 되고, 상기 마이크로컨트롤러 유니트에서는 실효치(Igr,SF)를 나타내므로, 실효치(Igr,SF)를, V값은 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)의 피크치인 관계를 이용하여, 유사기본파 저항성 누설전류값(Igr,SF)을 연산하여 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 하고,
    상기 저항성 누설전류(Igr)는,
    아래 수학식 결과에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
    Figure 112022007029387-pat00050

    여기서, 고조파 성분이 포함된 입력 전압에 대한 실효값(Vin,RMS)은
    Figure 112022007029387-pat00051
    연산으로 구하고, 이는 유사 기본파 전압(VSF)의 실효치값(VSF,RMS)이다.
  2. 분기선로의 입력 누설 전류값(Iin)을 측정하는 복수의 계기용 변류기와;
    각각의 상기 계기용 변류기에서 측정된 입력 누설 전류값(Iin)을 각각 전압값으로 변환하는 저항과;
    메인 입력선로의 입력 전압값(Vin)을 측정하는 프로브와;
    상기 프로브에서 측정된 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 감쇄시키는 분압 저항; 및
    각각의 상기 저항으로부터 입력되는 각각의 입력 누설 전류값(Iin)을 각각의 전류 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하고, 상기 분압 저항으로부터 입력되는 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하여 변환된 복수의 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)을 직접 이용하여 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 연산부에서 연산하여 직렬 통신부를 통해 출력하는 마이크로컨트롤러 유니트를 포함하며,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트는,
    상기 저항성 누설전류(Igr)를 연산시 푸리에변환 수식중 기본 주파수에 대해서만 입력 전압값(Vin)을 유사기본파 전압(VSF)으로 대치시켜서 연산하고, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)를 대입하여 계산하고, b1값이 유사기본파 전압인 입력 전압값(Vin)을 사용하여 연산한 값이므로, 이로부터 저항성 누설전류(Igr)를 구할 수 있는데, 이는 유사기본파 저항성 누설전류(Igr,SF)가 되고, 상기 마이크로컨트롤러 유니트에서는 실효치(Igr,SF)를 나타내므로, 실효치(Igr,SF)를, V값은 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)의 피크치인 관계를 이용하여, 유사기본파 저항성 누설전류값(Igr,SF)을 연산하여 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 하고,
    상기 저항성 누설전류(Igr)는,
    아래 수학식 결과에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
    Figure 112022007029387-pat00052

    여기서, 고조파 성분이 포함된 입력 전압에 대한 실효값(Vin,RMS)은
    Figure 112022007029387-pat00053
    연산으로 구하고, 이는 유사 기본파 전압(VSF)의 실효치값(VSF,RMS)이다.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치는,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트의 직렬 통신부를 통해 출력되는 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 포함하는 정보를 디스플레이하는 디스플레이 패널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치는,
    휴대용으로 제작되고, 전류 분해능을 10㎂ 이내의 고해상도 성능을 가지는 정밀 계측기로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치는,
    분기 선로에 고정 설치되고, 전류 분해능을 50㎂ 이내의 해상도 성능을 가지는 다채널 감시기로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)은,
    Figure 112022007029387-pat00037
    에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트는,
    절연 저항(R)을 아래의 수학식과 같이 연산하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
    Figure 112022007029387-pat00038
  10. 전기선로의 입력 누설 전류값(Iin)을 측정하는 전류 클램프 센서와;
    상기 전류 클램프 센서에서 측정된 입력 누설 전류값(Iin)을 전압값으로 변환하는 저항과;
    전기선로의 입력 전압값(Vin)을 측정하는 프로브와;
    상기 프로브에서 측정된 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 감쇄시키는 분압 저항; 및
    상기 저항으로부터 입력되는 입력 누설 전류값(Iin)을 전류 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하고, 상기 분압 저항으로부터 입력되는 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하여 변환된 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)을 직접 이용하여 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 연산부에서 연산하여 직렬 통신부를 통해 출력하는 마이크로컨트롤러 유니트를 포함하며,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트는,
    상기 저항성 누설전류(Igr)를 연산시, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)을 연산하고, 푸리에변환의 푸리에급수 표현을 해석에 사용하여, 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)과 n차 고조파성분의 실효치전압(Vn)의 관계식에 대입하여 도출한 결과식으로부터 연산한 누설저항값(R)과 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)을 사용하여 저항성 누설전류값에 대한 실효값(Igr,RMS)을 연산해서 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 하며,
    상기 저항성 누설전류(Igr)는,
    아래의 수학식의 결과에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
    Figure 112022007029387-pat00054
  11. 분기선로의 입력 누설 전류값(Iin)을 측정하는 복수의 계기용 변류기와;
    각각의 상기 계기용 변류기에서 측정된 입력 누설 전류값(Iin)을 각각 전압값으로 변환하는 저항과;
    메인 입력선로의 입력 전압값(Vin)을 측정하는 프로브와;
    상기 프로브에서 측정된 전기선로의 입력 전압값(Vin)을 감쇄시키는 분압 저항; 및
    각각의 상기 저항으로부터 입력되는 각각의 입력 누설 전류값(Iin)을 각각의 전류 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하고, 상기 분압 저항으로부터 입력되는 입력 전압값(Vin)을 전압 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하여 변환된 복수의 입력 누설 전류값(Iin)과 입력 전압값(Vin)을 직접 이용하여 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 연산부에서 연산하여 직렬 통신부를 통해 출력하는 마이크로컨트롤러 유니트를 포함하며,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트는,
    상기 저항성 누설전류(Igr)를 연산시, 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)을 연산하고, 푸리에변환의 푸리에급수 표현을 해석에 사용하여, 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)과 n차 고조파성분의 실효치전압(Vn)의 관계식에 대입하여 도출한 결과식으로부터 연산한 누설저항값(R)과 고조파 성분이 포함된 입력 전압값에 대한 실효값(Vin,RMS)을 사용하여 저항성 누설전류값에 대한 실효값(Igr,RMS)을 연산해서 이 값을 저항성 누설전류값(Igr)으로 하며,
    상기 저항성 누설전류(Igr)는,
    아래의 수학식의 결과에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
    Figure 112022007029387-pat00055
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 고조파가 포함된 누설전류 평균전력(Pavh)은,
    Figure 112022007029387-pat00040
    에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트는,
    절연 저항(R)을 아래의 수학식과 같이 연산하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
    Figure 112022007029387-pat00041
  14. 제 2 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러 유니트의 직렬 통신부는,
    외부 통신망과 연결되어 상위 시스템으로 측정 시간, 상기 계기용 변류기 번호, 저항성 누설전류(Igr), 실효값(VRMS), 총누설전류(Ig) 및 절연저항(R)을 포함하는 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러 유니트를 이용한 저항성 누설전류 분석 및 감시장치.
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